2023 Fiscal Year Research-status Report
Isotopic fractionation of guest gas molecules at the formation of synthetic gas hydrates
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22K03712
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| Research Institution | Kitami Institute of Technology |
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Principal Investigator |
八久保 晶弘 北見工業大学, 工学部, 教授 (50312450)
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2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | ガスハイドレート / メタンハイドレート / アイソトポログ / 安定同位体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ガスハイドレートは地球上だけでなく、地球外の惑星・衛星等の天体表層にも存在しうる普遍的な物質である。本研究では、ガスハイドレート生成時に起こる各種ゲストガスの安定同位体分別に関する実験を行った。結晶構造I型およびII型のガスハイドレート結晶は、水分子で構成されたサイズの異なる大小ケージの組み合わせで構成される。本研究の2年目では、結晶構造I型の大小ケージにそれぞれ包接されるメタンについて、ケージサイズの違いによって結晶生成時の安定同位体分別の差が存在するか、について焦点を当てた。結晶構造II型の大ケージのみに包接されるTHF等とメタンを組み合わせて混合ガスハイドレートを生成し、包接ガスと結晶に組み込まれなかったガスとの間のメタン水素同位体比の差を求めた。その結果、14面体大ケージと12面体小ケージではそれぞれ、メタンに関する水素同位体分別係数が異なり、予想に反して大ケージのほうが分別が大きいとの知見を得た。このことは、自然界でガス組成により変化しうる結晶構造に対応して、安定同位体分別係数もまた異なる値を取ることを示唆する。また、窒素に関しては、メタンや酸素との混合ガス系での実験を行い、混合ガス組成によって窒素同位体分別係数が変化する傾向を明らかにした。これらの成果については、日本雪氷学会北海道支部研究発表会、第32回日本エネルギー学会大会および雪氷研究大会（2023・郡山）にて学会発表を行い、また一部については論文投稿の準備中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
1年目に引き続き、2年目の研究の進捗状況も順調に進んでいる。メタンハイドレートのゲスト水素安定同位体分別については、結晶構造II型の大ケージをテトラヒドロフラン等の薬品で占有し、小ケージのみにメタンを包接する実験を行った。その結果、従来得られていた安定同位体分別（大ケージ＋小ケージ）よりも分別が小さくなることがわかり、結晶構造I型の大ケージに包接されるメタンの分別が相対的に大きいことが証明された。このことは、結晶構造の違いによりケージサイズの比が変われば、同位体分別係数も変化することを示唆している。このことから、安定同位体比の大小関係で天然ガスハイドレート生成過程を議論する際には、この定量的な差を考慮する必要がある。
また一方では、空気ハイドレートの窒素同位体分別についても実験を継続しており、窒素に対する他の成分を変更することで、窒素同位体分別にどのような影響があるか、について調べている。窒素－メタン系、および窒素－酸素系では、窒素同位体分別係数がガス混合比に大きく影響される様子が実験で明らかにされつつあり、結晶構造II型の大小ケージに混合ガス分子がどのように包接されるかについて検討を行っている。
ゲスト安定同位体分別についてこれまでに得られた成果は現在、学術雑誌への投稿準備中である。また、本研究によって整備されたガスハイドレート生成システムおよびガス分析測定ラインを利用して、関連するガスハイドレート分析が実施されている。本研究に関連する内容については、日本雪氷学会北海道支部研究発表会、第32回日本エネルギー学会大会および雪氷研究大会（2023・郡山）にて、計13件の学会発表がなされている。
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| Strategy for Future Research Activity |
結晶構造II型の大ケージのみに優先的に包接されるゲスト（THF、THP、シクロペンタン等）との混合系でガスハイドレートを生成し、小ケージのみにガスを包接させて、その安定同位体分別を調べる実験はメタンにおいて一定の成功を収めた。他のゲストガスについてもこの手法は適用可能であることから、二酸化炭素、一酸化炭素をそれぞれ小ケージのみに包接する実験を行う予定である。直感的には小ケージのほうが大きな分子が入りにくく、安定同位体分別は大きいのではないか、との予想に反し、メタンでは大ケージのほうが分別が大きい結果を得た。他のゲストでも同様の傾向かどうかを調べる。また、空気ハイドレートについては、窒素・酸素組成を変化させて結晶を生成する実験を継続し、窒素安定同位体分別のガス組成依存性を明らかにする。
その他、各種ゲストガスに関するガスハイドレート平衡圧の精密測定についても合わせて実施し、アイソトポログ間のガスハイドレート平衡圧の違いに関する定量的データを得る。また、これらの結晶特性についても、ラマン分光分析等の結晶解析により明らかにする。
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